Amplificatoarele cu emitor-comun (CE) sunt proiectate să producă o oscilație mare a tensiunii de ieșire de la o tensiune de semnal de intrare relativ mică de numai câteva milivolți și sunt utilizate în principal ca "amplificatoare de semnal mici" așa cum am văzut în tutorialele anterioare.

Totuși, uneori este necesar ca un amplificator să acționeze sarcini rezistive mari cum ar fi un difuzor sau să comande un motor într-un robot și pentru aceste tipuri de aplicații, unde sunt necesari curenți mari de comutare, sunt necesare amplificatoare de putere.

Funcția principală a amplificatorului de putere, cunoscut și ca "amplificator de semnal mare", este de a furniza putere, care este produsul tensiunii și curentului, la sarcină. În principiu, un amplificator de putere este, de asemenea, un amplificator de tensiune, diferența fiind că rezistența de sarcină conectată la ieșire este relativ scăzută, de exemplu un difuzor de 4 sau 8 Ω, rezultând curenți mari care curg prin colectorul tranzistorului.

Din cauza acestor curenți mari de sarcină, tranzistorul de ieșire utilizat pentru etajele de ieșire ale amplificatorului de putere, cum ar fi 2N3055, trebuie să aibă tensiuni și puteri nominale mai mari decât cele generale utilizate pentru amplificatoare de semnal mici, cum ar fi BC107.

Deoarece suntem interesați să livrăm o putere maximă la sarcină, în timp ce consumăm puterea DC minim posibilă de la sursă, suntem în cea mai mare parte interesați de "eficiența de conversie" a amplificatorului.

Dar, unul dintre dezavantajele principale ale amplificatoarelor de putere și, în special, amplificatorului clasă A este faptul că eficiența lor generală de conversie este foarte scăzută, deoarece curenții mari înseamnă că o cantitate considerabilă de putere este pierdută sub formă de căldură. Procentul de eficiență în amplificatoare este definit ca puterea de ieșire r.m.s. disipată în sarcină împărțită la puterea DC totală luată de la sursa de alimentare, așa cum se arată mai jos.

Eficiența (randamentul) amplificatorului de putere

unde:
η% - este eficiența amplificatorului.
POUT - este puterea de ieșire a amplificatorului livrată la sarcină.
PDC - este puterea DC luată de la alimentare.

Pentru un amplificator de putere este foarte important ca sursa de alimentare a amplificatoarelor să fie bine concepută pentru a asigura puterea continuă maximă disponibilă pentru semnalul de ieșire.

Amplificator clasă A

Cel mai frecvent utilizat tip de configurație de amplificator de putere este amplificatorul clasa A. Amplificatorul clasă A este cea mai simplă formă de amplificator de putere care utilizează un singur tranzistor de comutare în configurația standard cu emitor-comun, așa cum s-a văzut anterior, pentru a produce o ieșire inversată. Tranzistorul este polarizat întotdeauna "ON", astfel încât el conduce pe durata unui ciclu complet al formei de undă a semnalului de intrare, producând distorsiune minimă și amplitudine maximă a semnalului de ieșire.

Aceasta înseamnă că configurația amplificator clasă A este modul de operare ideal, deoarece nu poate exista nici o distorsiune crossover sau switch-off la forma de undă de ieșire chiar pe durata alternanței negative a ciclului. Etajele de ieșire ale amplificatorului de putere clasa A pot utiliza un singur tranzistor de putere sau perechi de tranzistoare conectate împreună pentru a împărți curentul de sarcină mare. Considerați circuitul amplificator clasă A de mai jos.

Circuit amplificator cu un singur etaj

Acesta este cel mai simplu tip de circuit de amplificator de putere clasa A. Utilizează un singur tranzistor pentru etajul său de ieșire cu sarcina rezistivă conectată direct la terminalul Colector. Când tranzistorul comută "ON", el absoarbe curentul de ieșire prin colector, rezultând o cădere de tensiune inevitabilă pe rezistența de emitor, limitând astfel capabilitatea de ieșire negativă.

Eficiența acestui tip de circuit este foarte scăzută (mai puțin de 30%) și oferă ieșiri de putere redusă pentru un consum mare din sursa DC. Un etaj de amplificare clasă A trece același curent de sarcină chiar și atunci când nu este aplicat niciun semnal de intrare, astfel încât sunt necesare radiatoare mari pentru tranzistoarele de ieșire.

Totuși, o altă cale simplă de a crește capacitatea circuitului de manevrare a curentului, obținând în același timp un câștig de putere mai mare, este înlocuirea tranzistorului de ieșire singur cu un tranzistor Darlington. Aceste tipuri de dispozitive sunt în principiu două tranzistoare într-un singur pachet, un tranzistor mic "pilot" și un alt tranzistor mai mare "de comutare". Marele avantaj al acestor dispozitive este acela că impedanța de intrare este în mod adecvat mare, în timp ce impedanța de ieșire este relativ scăzută, reducând astfel pierderea de putere și, prin urmare, căldura din dispozitivul de comutare.

Configurații cu tranzistor Darlington

Valoarea totală a câștigului de curent Beta (β) sau valoarea hFE a unui dispozitiv Darlington este produsul celor două câștiguri individuale ale tranzistoarelor și sunt posibile valorile foarte mari β împreună cu curenți de colectori mari, în comparație cu circuitul cu un singur tranzistor.

Pentru a îmbunătăți eficiența de putere complet a amplificatorului clasă A, este posibilă proiectarea circuitului cu un transformator conectat direct în circuitul Colector pentru a forma un circuit numit amplificator cuplat prin transformator. Transformatorul îmbunătățește eficiența prin adaptarea impedanței sarcinii cu cea a ieșirii amplificatorului utilizând raportul de transformare (n) al transformatorului și un exemplu este prezentat mai jos.

Circuit amplificator cuplat prin transformator

Deoarece curentul de colector Ic este redus sub punctul-Q static, stabilit de tensiunea de polarizare a bazei, datorită variațiilor curentului de bază, fluxul magnetic din miezul transformatorului se taie, provocând o emf indusă în bobina primară a transformatorului. Acest lucru face ca o tensiune instantanee de colector să crească la o valoare de două ori mai mare decât tensiunea de alimentare 2Vcc, dând un curent de colector maxim de două ori Ic atunci când tensiunea colectorului este la minim. Atunci, eficiența acestui tip de configurație amplificator clasă A poate fi calculată ca mai jos:

Tensiunea RMS a colectorului este dată de:

Curentul RMS de colector este dat de:

Puterea RMS livrată la sarcină (Pac) este așadar dată de:

Puterea medie extrasă din sursa de alimentare (Pdc) este dată de:

și, prin urmare, eficiența unui amplificator clasă A cuplat prin transformator este dată de:

Un transformator de ieșire îmbunătățește eficiența amplificatorului prin adaptarea impedanței sarcinii cu impedanța de ieșire a lui. Prin utilizarea unui transformator de ieșire sau de semnal cu un raport adecvat de spire, eficiența amplificatorului clasă A, care atinge 40%, este posibilă cu majoritatea amplificatoarelor de putere tip clasă A disponibile comercial.

Totuși, transformatorul este un dispozitiv inductiv datorită înfășurărilor și miezului său, astfel încât este cel mai bine de evitat utilizarea componentelor inductive în circuitele de comutare ale amplificatorului, deoarece orice emf inversă generată poate deteriora tranzistorul fără o protecție adecvată.

De asemenea, un alt dezavantaj important al acestui tip de circuit de amplificare clasa A cuplat prin transformator este costul suplimentar și mărimea transformatorului audio necesar.

Tipul de „clasă“ sau clasificare, care este dat unui amplificator, depinde cu adevărat de unghiul de conducție, porțiunea din 360^o a ciclului de undă de intrare, în care tranzistorul conduce. În amplificatorul clasă A, unghiul de conducție este de 360^o sau 100% din semnalul de intrare, în timp ce în alte clase de amplificatoare tranzistorul conduce pe durata unui unghi de conducție mai mic.

Este posibil să se obțină o putere și o eficiență mai mare decât cea a amplificatorului clasă A prin utilizarea a două tranzistoare complementare în etajul de ieșire, cu un tranzistor care este NPN sau tip canal-N, în timp ce celălalt tranzistor este un PNP sau tip canal-P (complementar) conectat în ceea ce se numește o configurație "push-pull". Acest tip de configurație este denumit în general un amplificator clasă B și este un alt tip de circuit amplificator audio la care ne vom uita în următorul tutorial.